RU2170487C1 - Brushless electrical machine - Google Patents
Brushless electrical machine Download PDFInfo
- Publication number
- RU2170487C1 RU2170487C1 RU2000106225/09A RU2000106225A RU2170487C1 RU 2170487 C1 RU2170487 C1 RU 2170487C1 RU 2000106225/09 A RU2000106225/09 A RU 2000106225/09A RU 2000106225 A RU2000106225 A RU 2000106225A RU 2170487 C1 RU2170487 C1 RU 2170487C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric machine
- machine according
- brushless electric
- winding
- claws
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Synchronous Machinery (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к обратимым бесщеточным электрическим машинам, работающим в режиме электрогенератора и/или электродвигателя, и может найти применение преимущественно в тех объектах техники, которым необходим источник электрического тока или механической энергии, сочетающий качества компактности, надежности и долговечности с низкой стоимостью. The invention relates to reversible brushless electric machines operating in the mode of an electric generator and / or electric motor, and can find application mainly in those objects of technology that require a source of electric current or mechanical energy, combining the qualities of compactness, reliability and durability with low cost.
Проблема повышения надежности и долговечности решается путем перехода на бесщеточные обратимые электрические машины. The problem of increasing reliability and durability is solved by switching to brushless reversible electric machines.
Известна бесщеточная электрическая машина, содержащая смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, состоящий из вала, установленного в подшипниковых опорах, и закрепленной на валу системе постоянных магнитов, а также систему управления и охлаждения /1/. Known brushless electric machine containing mounted in the housing of the stator with an anchor winding, a rotor module consisting of a shaft mounted in bearing bearings and a permanent magnet system mounted on the shaft, as well as a control and cooling system / 1 /.
Ее недостатками являются высокая стоимость из-за наличия постоянных магнитов, которые в большинстве случаев для повышения мощности изготавливают из редкоземельных материалов, а также низкий коэффициент полезного действия (КПД) на режимах частичной мощности из-за постоянного токосцепления со статорным пакетом. Its disadvantages are the high cost due to the presence of permanent magnets, which in most cases are made from rare-earth materials to increase power, as well as low efficiency (partial efficiency) in partial power modes due to constant current coupling with the stator package.
Этих недостатков лишена взятая в качестве прототипа бесщеточная электрическая машина, имеющая средства управления и систему охлаждения с вентилятором и содержащая смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений. Внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе неподвижный магнитопровод с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, размещенной так, что сердечник обмотки составляют две втулки с зазором, одна из которых имеет минимально возможную толщину и является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода. Фиксатор выполнен в виде кольца из диамагнитного материала, механически закрепленного изнутри к венцу несущих и навесных когтей /2/. These drawbacks are deprived of a brushless electric machine, taken as a prototype, with control means and a cooling system with a fan and containing a stator with an anchor winding mounted in the housing, a rotor module, including a shaft mounted in bearing bearings with a rotating magnetic circuit, on which a crown of bearing claws is mounted with in its intervals, a crown of hinged claws having a retainer from circumferential and axial movements. Inside the crowns of the bearing and mounted claws there is coaxially mounted a fixed magnetic circuit with an excitation winding on it in an electrically insulating frame so that the core of the winding consists of two bushings with a gap, one of which has the smallest possible thickness and is part of the fixed magnetic circuit, and the second part of a rotating magnetic circuit. The latch is made in the form of a ring of diamagnetic material, mechanically fixed from the inside to the rim of the bearing and mounted claws / 2 /.
Недостатками прототипа являются повышенные массогабаритные показатели /3, с. 54/. Это вызвано появлением двух дополнительных воздушных зазоров, создающих повышенное сопротивление магнитному потоку и снижающих мощность электрической машины. Нерациональные конструкции фиксатора, обмотки возбуждения и магнитопроводов дополнительно увеличивают габаритные размеры. The disadvantages of the prototype are the increased overall dimensions / 3, p. 54 /. This is caused by the appearance of two additional air gaps that create increased resistance to magnetic flux and reduce the power of the electric machine. Irrational designs of the retainer, field winding and magnetic circuits additionally increase the overall dimensions.
Единой целью заявляемого изобретения является достижение общего технического результата - достижения наивысшей компактности бесщеточной электрической машины с электромагнитным возбуждением. Компактность конструкции достигается либо снижением габаритных размеров при сохранении мощности, либо повышением мощности при неизменных габаритных размерах. Повышение компактности конструкции приводит также к снижению ее удельной массы, а следовательно, к улучшению массогабаритных показателей. The single purpose of the claimed invention is to achieve a common technical result - to achieve the highest compactness of a brushless electric machine with electromagnetic excitation. Compact design is achieved either by reducing overall dimensions while maintaining power, or by increasing power with constant overall dimensions. An increase in the compactness of the structure also leads to a decrease in its specific gravity, and, consequently, to an improvement in overall dimensions.
Первый шаг в достижении единой цели изложен в пункте 1 формулы изобретения. В нем предлагается усовершенствовать электрическую бесщеточную машину обратимого типа, имеющую средства управления и систему охлаждения с вентилятором и содержащую смонтированные в корпусе статор с якорной обмоткой, роторный модуль, включающий установленный в подшипниковых опорах вал с вращающимся магнитопроводом, на котором закреплен венец несущих когтей с расположенным в его промежутках венцом навесных когтей, имеющих фиксатор от окружных и осевых перемещений. Внутри венцов несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе неподвижный магнитопровод с обмоткой возбуждения на нем в электроизолирующем каркасе, выполненной так, что сердечник обмотки составляют две втулки с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода. The first step in achieving a common goal is set out in
Усовершенствование заключается в том, что фиксатор изготовлен из магнитопроводного материала и выполнен минимум у двух когтей хотя бы одного из венцов в виде перемычек между торцевой частью когтя и прилежащей к ней поверхностью выемки. The improvement lies in the fact that the latch is made of magnetic material and made at least two claws of at least one of the crowns in the form of jumpers between the end part of the claw and the adjacent surface of the recess.
Такое техническое решение позволяет выполнять фиксатор за одно целое с материалом когтей или осуществлять посредством фиксатора сварку венцов когтей. Этим достигается снижение осевого и диаметрального габаритного размера за счет переноса конструктивных элементов крепления когтей из зоны, где размещены когти, функционально предназначенной для прохождения магнитного потока, в зону воздушного зазора, в которой имеется свободное пространство для размещения элементов конструкции. Such a technical solution makes it possible to carry out the clamp in one piece with the material of the claws or to carry out welding of the crowns of the claws by means of the clamp. This achieves a reduction in the axial and diametrical overall dimensions due to the transfer of the structural elements of the claw attachment from the area where the claws are located, which is functionally designed to pass the magnetic flux, into the air gap zone, in which there is free space for accommodating the structural elements.
Следующее усовершенствование заключается в том, что в электрической машине по пункту 1 перемычки выполнены из диамагнитного материала. The next improvement is that in the electric machine according to
Такое техническое решение позволяет закреплять венец навесных когтей на венце несущих посредством фиксатора путем сварки, пайки или склеивания. Диамагнитный материал уменьшает замыкание магнитного потока в роторе. За счет этого повышается магнитная индукция в главном воздушном зазоре - между ротором и статором. Рост магнитной индукции приводит к пропорциональному росту мощности электрической машины, а следовательно, ее компактности. This technical solution allows you to fix the crown of the mounted claws on the crown of the bearing by means of a fixture by welding, soldering or gluing. Diamagnetic material reduces the closure of the magnetic flux in the rotor. Due to this, the magnetic induction in the main air gap increases - between the rotor and the stator. The increase in magnetic induction leads to a proportional increase in the power of an electric machine, and therefore its compactness.
Следующий шаг в достижении единой цели отражен в пункте 3 формулы. Он заключается в том, что в электрической машине по пункту 2 перемычки имеют U-образную форму в окружном направлении. При таком решении фиксатор пространственно занимает весь воздушный зазор. За счет увеличения длины перемычек удается снизить ее высоту, что в свою очередь позволяет снизить толщину венца навесных когтей и за счет этого уменьшить диаметральный габарит электрической машины. The next step in achieving a common goal is reflected in
Усовершенствование по пункту 4, заключающееся в том, что в электрической машине по пункту 3 перемычки соединены в сплошной кольцевой зигзагообразный фиксатор, усиливает эффект по пункту 3. The improvement according to
Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 5 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пункту 3 перемычки образуют сплошной замкнутый контур, охватывающий боковые поверхности навесных когтей со всех сторон. Такое усовершенствование дополнительно уменьшает толщину венца навесных когтей и снижает диаметральный размер,
Наименьшая толщина венца навесных когтей реализуется при усовершенствовании по пункту 6. Оно заключается в том, что в электрической машине по пункту 5 перемычки, прилежащие к каждой торцевой стороне когтей, соединены между собой так, что они образуют замкнутые кольца.The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is reflected in
The smallest thickness of the crown of the hinged claws is realized with the improvement according to
Усовершенствование по пункту 7 приводит к возникновению принципиально другой возможности повышения компактности. Изобретение заключается в том, что в электрической машине по пунктам 5 и 6 перемычки выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей. В результате такого технического решения в синхронной машине образуются замкнутые электрические контуры, реализующие в ней асинхронные полюсы. Синхронные полюсы ротора наводят в якорной обмотке статора электродвижущую силу (ЭДС). Первая гармоника вращается синхронно с ротором, а более высокие гармоники асинхронно. Гармоники четных порядков быстрее ротора, а нечетные медленнее. Гармоники четных порядков наводят в замкнутых контурах ротора ЭДС, а значит, в них протекает электрический ток, который в свою очередь усиливает магнитный поток ротора. В результате этого мощность электрической машины повышается. Дополнительный эффект, снижающий габаритные размеры в режиме генератора, заключается в том, что для исключения окружного колебания роторов при параллельной работе нескольких синхронных генераторов на полюсах выполняют успокаивающую асинхронную обмотку, которая конструктивно занимает часть пространства полюсов, уменьшая тем самым магнитную индукцию в главном зазоре, а значит, и мощность. В заявляемой конструкции асинхронная обмотка занимает пространство между полюсами и не снижает магнитную индукцию в зазоре. The improvement in
Усовершенствование по пункту 8 выполнено в электрической машине по пунктам 1 - 7 и заключается в том, что сердечник обмотки возбуждения выполнен из двух втулок с равным по величине поперечным сечением, установленных с зазором, одна из которых является частью неподвижного магнитопровода, а вторая - частью вращающегося магнитопровода. Такое техническое решение позволяет снизить массу ротора путем переноса ее на неподвижный магнитопровод, который крепится на корпусе. При этом снижается нагрузка на подшипниковые опоры вала, что в свою очередь позволяет уменьшить их размеры, а значит, и габаритные размеры всей электрической машины. The improvement in
Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 9 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 8 поверхности втулок, образующие зазор в сердечнике, выполнены в форме соосных конусов. Это позволяет магнитному потоку более равномерно проходить по сердечнику обмотки возбуждения, что снижает общее магнитное сопротивление магнитопроводов. В результате магнитная индукция в главном воздушном зазоре повышается, а следовательно, и мощность электрической машины. The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is reflected in
Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 10 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 9 на конце втулки неподвижного магнитопровода выполнен диск из магнитопроводного материала, наружная поверхность которого образует с поверхностью подвижного магнитопровода радиальное продолжение зазора между втулками, образующими сердечник обмотки возбуждения. При этом площадь воздушного зазора между вращающимся и неподвижным магнитопроводами увеличивается, а следовательно, снижается его магнитное сопротивление. В результате повышаются магнитная индукция в главном воздушном зазоре, а следовательно, и мощность электрической машины. The next improvement described in
Усовершенствование по пункту 11 выполнено в электрической машине по пункту 10 и заключается в том, что каркасом обмотки возбуждения является кольцевая поверхность неподвижного магнитопровода, защищенная электроизоляционным покрытием. Такое техническое решение позволяет отказаться от отдельного электроизолирующего каркаса, перенеся его функцию на неподвижный магнитопровод. Его материал позволяет повысить интенсивность теплоотвода от обмотки возбуждения и за счет этого повысить в ней плотность тока. Что в свою очередь при сохранении намагничивающей силы позволяет снизить диаметр провода или уменьшить число витков. Это приводит к снижению габаритных размеров обмотки возбуждения и электрической машины в целом. The improvement according to
Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 12 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 11 обмотка возбуждения выполнена из двух согласно подключенных частей, одна из которых через регулятор напряжения соединена параллельно с контактами электросети, а вторая - последовательно и напрямую. Это позволяет снизить мощность части системы управления электрической машины, отвечающей за управление обмоткой возбуждения, а значит, уменьшает размеры системы управления и элементов ее охлаждения. Реализация такого технического решения в бесщеточной электрической машине с электромагнитным возбуждением, по сравнению с контактными, обуславливает появление сверхсуммарного эффекта. Он заключается в том, что приводит к повышению КПД, надежности и долговечности благодаря исключению негативных эффектов, создаваемых в контактных машинах, подключением последовательной обмотки возбуждения, сила тока в которой имеет максимальное значение, через скользящие контакты. Негативные эффекты в контактных машинах столь велики, что в генераторах последовательная обмотка возбуждения практически не применяется, несмотря на значительное упрощение системы управления. The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is reflected in
Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 13 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пункту 12 проводник последовательной обмотки выполнен из ленты шириной, равной осевому размеру катушки возбуждения. Это повышает коэффициент заполнения медью обмотки возбуждения и снижает ее габаритные размеры. The next improvement set forth in
Усовершенствование по пункту 14 выполнено в электрической машине по пунктам 12, 13 и заключается в том, что начало последовательной обмотки электрически соединено с неподвижным магнитопроводом. Это уменьшает габаритные размеры, занимаемые выводами обмотки возбуждения, и уменьшает пространство, резервируемое для соединения выводов, за счет использования неподвижных частей электрической машины в качестве электропроводника. The improvement according to
Следующий шаг в достижении единой цели - повышение компактности - отражен в пункте 15 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 12 - 14 конец последовательной обмотки возбуждения соединен с началом параллельной обмотки. Это дополнительно уменьшает габаритные размеры, занимаемые выводами обмотки возбуждения. The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is reflected in
Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 16 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 12 - 15 последовательная обмотка размещена ближе к сердечнику и выполнена из магнито- и электропроводного материала. Такое техническое решение позволяет совместить функции части обмотки возбуждения и ее сердечника, что снижает габаритные размеры ее и электрической машины в целом. The next improvement set forth in
Усовершенствование по пункту 17 выполнено в электрической машине по пунктам 1 - 16 и заключается в том, что роторный модуль имеет симметрично себе второй тождественный роторный модуль, а статор выполнен общим для обеих половин ротора. Это позволяет снизить диаметральные размеры электрической машины. The improvement according to
Следующий шаг в достижении единой цели -повышение компактности - отражен в пункте 18 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пункту 17 параллельная и последовательная обмотки возбуждения выполнены на различных катушках возбуждения. Это дополнительно уменьшает пространство, резервируемое для соединения выводов. The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is reflected in
Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 19 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 18 минимум один вентилятор расположен коаксиально внутри статорной обмотки так, что выходные кромки направлены на лобовые вылеты статорной обмотки, а сами лопатки выполнены за одно целое с фиксатором когтей. Такое техническое решение снижает габаритные размеры электрической машины на размеры вентилятора, т.к. в заявляемой конструкции он занимает ранее свободное пространство. Дополнительным эффектом, повышающим компактность, является повышение эффективности охлаждения статорной обмотки и непосредственно самого ротора. Снижение температуры статорной обмотки повышает ее КПД, а значит, и полезную мощность. The next improvement described in
Усовершенствование по пункту 20 выполнено в электрической машине по пунктам 1 - 18 и заключается в том, что минимум один вентилятор расположен коаксиально внутри статорной обмотки так, что выходные кромки направлены на лобовые вылеты статорной обмотки, а сами лопатки выполнены за одно целое с материалом когтей. Эффект от такого технического решения аналогичен и равнозначен эффекту от решения по пункту 19 формулы изобретения. The improvement according to
Следующий шаг в достижении единой цели - повышение компактности - отражен в пункте 21 формулы изобретения. Он заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 20 по крайней мере одна подшипниковая опора роторного модуля и узел крепления на корпусе модуля возбуждения объединены в единую конструкцию, содержащую внутренний фланец, который одновременно является радиальной частью неподвижного магнитопровода и боковой стенкой катушки возбуждения, и ответный наружный фланец корпуса, имеющий соосно валу посадочную поверхность под втулку подшипника, являющегося частью неподвижного магнитопровода, а также средства крепления. Средствами крепления могут быть, например, болты или общая гайка. Такое техническое решение снижает габаритные размеры электрической машины за счет конструктивного объединения в одном элементе центрирующего кольца неподвижного магнитопровода и посадочной втулки под подшипник. Поскольку посадочная втулка под подшипник в этом случае металлическая, снижается разбивка гнезда под подшипник в результате эксплуатации. Это позволяет уменьшить монтажную величину главного воздушного зазора. За счет этого увеличить магнитную индукцию в нем и как следствие мощность электрической машины. The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is reflected in
Следующее усовершенствование, изложенное в пункте 22 формулы, заключается в том, что в электрической машине по пунктам 1 - 21 якорная обмотка статора выполнена m-фазной, где m -любое целое число больше единицы, статор выполнен с числом пазов Z = 2•p•m, где p - количество когтей одного из венцов ротора, фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены. В этом случае якорная обмотка соединена в так называемый "треугольник" таким образом, что отсутствует скрещивание выводов. Это позволяет уменьшить пространство, резервируемое для соединения выводов. Из-за скрещивания выводов, в общем случае, якорные обмотки соединяются в так называемую "звезду" с общим спаем. Наличие изолированного спая приводит к увеличению пространства, резервируемого под лобовые вылеты обмотки, и габаритных размеров машины. The next improvement described in
Сущность изобретения поясняют прилагаемые эскизные чертежи и схемы. The invention is illustrated by the accompanying outline drawings and diagrams.
На фиг. 1 изображен поперечный разрез электрической машины, выполняющей функцию автомобильного генератора постоянного тока с усовершенствованиями по пунктам 1 и 2. In FIG. 1 is a cross-sectional view of an electric machine that performs the function of an automobile DC generator with improvements in
На фиг. 2 изображен поперечный разрез электрической машины, выполняющей функцию электродвигателя постоянного тока с усовершенствованиями по пунктам 1 и 2. In FIG. 2 is a cross-sectional view of an electric machine that performs the function of a direct current electric motor with improvements in
На фиг. 3 изображен поперечный разрез электрической машины, выполняющей функцию автомобильного генератора с усовершенствованиями по пунктам 1 и 2. In FIG. 3 is a cross-sectional view of an electric machine acting as an automobile generator with improvements in
На фиг. 4 изображен вид фиг. 3 на фиксатор когтей по пункту 1. In FIG. 4 is a view of FIG. 3 on the claw latch according to
На фиг. 5 изображена конструкция обмотки возбуждения по пунктам 12 - 16. In FIG. 5 shows the design of the field winding according to paragraphs 12-16.
На фиг. 6 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 3. In FIG. 6 shows a diametrical scan of the outer surface of the rotor with a lock according to
На фиг. 7 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 4. In FIG. 7 shows a diametrical scan of the outer surface of the rotor with a lock according to
На фиг. 8 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 5. In FIG. 8 shows a diametrical scan of the outer surface of the rotor with a retainer according to
На фиг. 9 изображена диаметральная развертка наружной поверхности ротора с фиксатором по пункту 6. In FIG. 9 shows a diametrical scan of the outer surface of the rotor with a lock according to
На фиг. 10 изображена схема якорной обмотки по пункту 22. In FIG. 10 shows a diagram of the anchor winding according to
На фиг. 11 изображена схема управления обратимой электрической машины, выполняющей функции стартер-генератора. In FIG. 11 shows a control circuit of a reversible electric machine that functions as a starter-generator.
Бесщеточная электрическая машина (фиг. 1 и 2) содержит корпус, состоящий из передней 1 и задней частей 2, в которых установлены статор 3 с якорной обмоткой 4 и роторный модуль. The brushless electric machine (Fig. 1 and 2) contains a housing consisting of a
Роторный модуль включает установленный в подшипниковых опорах 5 вал 6 с вращающимся магнитопроводом 7. На магнитопроводе закреплен или выполнен за одно целое венец 8 несущих когтей 9. В промежутках между когтями 9 расположены навесные когти 10, объединенные в венец 11. Навесные когти 10 имеют фиксатор 12 от окружных и осевых перемещений. The rotor module includes a
Внутри венцов 8 и 11 несущих и навесных когтей соосно расположен закрепленный на корпусе модуль возбуждения с неподвижным магнитопроводом 13 и обмоткой возбуждения 14, расположенной внутри электроизолирующего каркаса 15 (фиг. 3). Inside the
Обмотка возбуждения выполнена так, что сердечник обмотки составляет две втулки с зазором 16. Одна из втулок 17 является частью неподвижного магнитопровода, а вторая втулка 18 - частью вращающегося. Фиксатор 12 выполнен минимум у двух когтей хотя бы одного венца. Оптимальный вариант - у двух диаметрально противоположных когтей. При этом фиксатор 12 представляет собой созданную из магнитопроводного материала перемычку 19 (фиг. 3, 4), между торцевой частью когтя 9 и прилежащей к ней поверхностью выемки 20 между соседними когтями 10. Это первый работоспособный и эффективный вариант фиксатора. Он за счет замыкания магнитного потока снижает мощность электрической машины на 1-3%, а диаметральный размер на 5 - 10%. В результате компактность повышается. The field winding is designed so that the core of the winding is two bushings with a
Для уменьшения замыкания магнитного потока в роторе перемычка 19 выполнена из диамагнитного материала или алюминиевого сплава, или нержавеющей стали. To reduce the closure of the magnetic flux in the rotor, the
На фиг. 6 показан более эффективный для достижения основной цели - повышения компактности - вариант перемычки 19. Она имеет U-образную форму в окружном направлении, благодаря чему средство фиксации пространственно занимает весь воздушный зазор между когтями. Это позволяет снизить толщину венца 11 навесных когтей 10. In FIG. Figure 6 shows a variant of the
На фиг. 7 показан следующий более эффективный вариант фиксатора в виде перемычек 19. Они соединены в сплошной кольцевой зигзагообразный фиксатор 21, что усиливает эффект U-образных перемычек. In FIG. 7 shows the next more effective version of the latch in the form of
На фиг. 8 показан еще более эффективный вариант фиксатора. Здесь перемычки образуют сплошной замкнутый контур 22, охватывающий боковые поверхности навесных когтей 10 со всех сторон. В данном случае - с четырех сторон. Это дополнительно уменьшает толщину венца 11 навесных когтей и снижает общий диаметральный размер. In FIG. 8 shows an even more effective embodiment of the latch. Here, the jumpers form a continuous
На фиг. 9 показан наиболее эффективный вариант фиксатора. Здесь перемычки, прилежащие к каждой торцевой стороне когтей 10, соединены между собой так, что образуют два замкнутых кольца 23 и 24. In FIG. 9 shows the most effective latch option. Here, the jumpers adjacent to each end side of the
Для образования в заявляемой синхронной электрической машине замкнутых электрических контуров, реализующих в ней асинхронные полюсы, ранее описанные перемычки (см. фиг. 8 и 9) выполнены из диамагнитного материала с удельным электрическим сопротивлением ниже, чем у материала когтей 9 и 10, или алюминиевого сплава. To form closed electrical circuits in the inventive synchronous electric machine that realize asynchronous poles in it, the jumpers previously described (see Figs. 8 and 9) are made of a diamagnetic material with a specific electrical resistance lower than that of
Для дальнейшего снижения габаритных размеров машины предлагается снизить массу ротора путем переноса части его массы на неподвижный магнитопровод 13, закрепленный на корпусе. В этом случае (фиг. 3) сердечник обмотки возбуждения 14 выполнен из двух втулок 17 и 18 с равным по величине поперечным сечением. При этом втулка 17 является частью неподвижного магнитопровода, а втулка 18 - частью вращающегося. To further reduce the overall dimensions of the machine, it is proposed to reduce the mass of the rotor by transferring part of its mass to a fixed
Повышает компактность машины и то, что поверхности втулок 17 и 18, образующие зазор 16, выполнены в форме соосных конусов (см. фиг. 1 и 2). На конце втулки 17 неподвижного магнитопровода 13 выполнен диск 25 из магнитопроводного материала, например за одно целое с неподвижным магнитопроводом 13. Его наружная поверхность образует с поверхностью вращающегося магнитопровода 7 зазор 26, являющийся радиальным продолжением зазора 16. При этом площадь воздушного зазора между вращающимся 7 и неподвижным 13 магнитопроводами увеличивается, а следовательно, снижается его сопротивление магнитному потоку. Increases the compactness of the machine and the fact that the surfaces of the
На фиг. 1, 2 и 5 показано следующее усовершенствование патентуемой машины. Каркасом обмотки возбуждения 14 является кольцевая поверхность 27 неподвижного магнитопровода 13, защищенная электроизоляционным покрытием, например лаком или грунтовкой. Это позволяет отказаться от отдельного электроизолирующего каркаса, перенеся его функции на неподвижный магнитопровод. In FIG. 1, 2 and 5 show the following improvement of a patented machine. The frame of the field winding 14 is the
Следующий шаг в достижении единой цели - повышение компактности - показан на фиг. 5. Обмотка возбуждения выполнена из двух согласно подключенных частей. Одна обмотка 28 через регулятор соединена параллельно электросети, а вторая обмотка 29 - последовательно и напрямую. Это позволяет снизить мощность части системы управления электрической машины, отвечающей за управление обмоткой возбуждения, а значит, уменьшает размеры системы управления и элементов ее охлаждения. The next step in achieving a common goal - increasing compactness - is shown in FIG. 5. The field winding is made of two according to the connected parts. One winding 28 through the regulator is connected in parallel with the mains, and the second winding 29 is connected in series and directly. This allows you to reduce the power of the control system part of the electric machine responsible for controlling the field winding, and therefore reduces the size of the control system and its cooling elements.
Чтобы повысить коэффициент заполнения медью обмотки возбуждения 14 и снизить ее габаритные размеры, вносится усовершенствование, показанное на фиг. 5. Проводник последовательной обмотки 29 выполнен из ленты шириной, равной осевому размеру обмотки возбуждения 14. In order to increase the fill factor of the field winding 14 with copper and to reduce its overall dimensions, the improvement shown in FIG. 5. The conductor of the sequential winding 29 is made of tape with a width equal to the axial size of the field winding 14.
Предлагается (фиг. 2) использовать неподвижные части электрической машины в качестве электропроводника. Для этого вывод 30 последовательной обмотки электрически соединен с неподвижным магнитопроводом 13, например, посредством пайки. It is proposed (Fig. 2) to use the fixed parts of an electric machine as an electrical conductor. To this end, the serial winding
Следующее изменение - повышающее компактность - в особенности расположения последовательной обмотки. Она размещена ближе к сердечнику и выполнена из магнито- и электропроводного материала, что позволяет совместить функции части обмотки возбуждения 14 и части ее сердечника. The next change - increasing compactness - especially the location of the serial winding. It is placed closer to the core and is made of magnetically and electrically conductive material, which allows you to combine the functions of part of the field winding 14 and part of its core.
На фиг. 2 показан в разрезе второй вариант компоновки заявляемой электрической машины. Его суть - удвоение роторного модуля и удвоение длины статора 3. В этом варианте роторный модуль имеет симметрично себе второй тождественный роторный модуль, в результате чего ротор состоит из двух половин, расположенных по обе стороны плоскости симметрии, показанной линией А. Количество модулей возбуждения также удваивается. Статор 3 выполнен общим для обеих половин ротора. Такое удвоение значительно повышает компактность. Мощность генератора удваивается, а длина машины возрастает в среднем на 25%. In FIG. 2 shows a sectional view of a second embodiment of the inventive electric machine. Its essence is a doubling of the rotor module and doubling the length of the
Следующий шаг для повышения компактности показан на фиг. 2. Он заключается в том, что последовательная и параллельная обмотки возбуждения выполнены в различных модулях возбуждения. The next step for increasing compactness is shown in FIG. 2. It consists in the fact that the series and parallel field windings are made in various excitation modules.
Внесено усовершенствование и в средства охлаждения (фиг. 1 и 2). Минимум один вентилятор 31 расположен коаксиально внутри статорной обмотки 3 так, что выходные кромки 32 лопаток вентилятора 31 направлены на лобовые вылеты 33 статорной обмотки. Сами лопатки 31 выполнены за одно целое с фиксатором 12 когтей. Это уменьшает общие габаритные размеры на длину вентилятора. Возможен вариант этого решения. Лопатки вентилятора 31 выполнены за одно целое с материалом когтей. Наиболее эффективно решение с двумя вентиляторами - по одному на каждой торцевой стороне ротора. An improvement was also made to the cooling means (Figs. 1 and 2). At least one
Все вышеизложенные усовершенствования обеспечили существенное снижение массы роторного модуля за счет увеличения веса модуля возбуждения. Снижение массы вращающихся частей снижает нагрузки на подшипниковые опоры, что в свою очередь позволяет снизить их размеры. All of the above improvements have provided a significant reduction in the mass of the rotor module by increasing the weight of the excitation module. Reducing the mass of the rotating parts reduces the load on the bearings, which in turn allows to reduce their size.
Учитывая тенденции перераспределения масс внутри электрической машины, изменены средства установки роторного модуля и средства крепления модуля возбуждения, что показано на фиг. 1 и 2. Considering the tendencies of the redistribution of masses inside the electric machine, the means for installing the rotor module and the means for attaching the excitation module are changed, as shown in FIG. 1 and 2.
Предложено по крайней мере одну подшипниковую опору роторного модуля и ближайший узел крепления на корпусе модуля возбуждения объединить в единую конструкцию. Она включает внутренний фланец 34 с резьбовыми отверстиями под болты 35. Этот фланец одновременно является радиальной частью неподвижного магнитопровода 13 и боковой стенкой обмотки возбуждения 14. Ответный наружный фланец 36 выполнен на корпусе. Этот фланец имеет соосно валу посадочную поверхность 37 под втулку 38 подшипника. При этом втулка 38 является частью неподвижного магнитопровода 13 и может быть выполнена, например, за одно целое с основным материалом. It is proposed that at least one bearing support of the rotor module and the closest attachment point on the excitation module housing be combined into a single design. It includes an
Последним усовершенствованием, направленным на повышение компактности, является особенность якорной обмотки, схематично показанная на фиг. 10. Якорная обмотка 4 (фиг. 1 - 3) выполнена m-фазной, где m -любое целое число больше единицы. Статор 3 выполнен с числом пазов Z = 2•p•m, где p - количество когтей одного из венцов ротора. Фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз, а ближайшие друг к другу выводы попарно соединены. На фиг. 10 показан пример осуществления для 3-фазной якорной обмотки при 6-полюсном роторе. Количество пазов статора в этом случае равно 36. Фазные обмотки уложены со сдвигом на один паз. Соединение фазных обмоток, реализуемое таким образом, носит название "треугольник". A final improvement aimed at increasing compactness is the feature of the armature winding shown schematically in FIG. 10. Anchor winding 4 (Figs. 1-3) is made m-phase, where m is any integer greater than one.
Заявляемая бесщеточная электрическая машина может работать в режиме электрогенератора (вариант исполнения фиг. 1, 3) и в режиме электродвигателя (вариант исполнения фиг. 2). В последнем случае, в зависимости от системы управления, она может автоматически переходить в режим генератора и обратно (вариант исполнения системы управления фиг. 11). The inventive brushless electric machine can operate in an electric generator mode (embodiment of Figs. 1, 3) and in an electric motor mode (embodiment of Fig. 2). In the latter case, depending on the control system, it can automatically switch to the generator mode and vice versa (embodiment of the control system of Fig. 11).
В режиме электрогенератора машина работает в следующем порядке. На вал 6 подают механическую энергию вращения от внешнего источника. Вращение передают на вал, например, через шкив 39, через муфту или любое иное кинематическое средство. Вал 6 приводит в движение вращающийся магнитопровод 7 и выполненные на нем венцы 8 несущих когтей и 11 навесных когтей. In generator mode, the machine operates in the following order. On the
За счет остаточной намагниченности магнитопровода и когтей или в результате подачи пускового импульса тока на обмотку возбуждения 14 в когтях возникает начальный магнитный поток, который "сцепляясь" с якорной обмоткой 4 статора 3, наводит в ней ЭДС. Этот начальный ток через систему управления, которая может включать выпрямитель 40 (фиг. 1), подводится к выводным клеммам 41. От них часть тока идет потребителю, а другая часть через регулятор напряжения 42 системы управления - на параллельную обмотку возбуждения 14. Регулятор напряжения управляет силой тока в параллельной обмотке возбуждения для стабилизации напряжения электрического тока, направляемого потребителю. В случае наличия последовательной обмотки возбуждения она подключается напрямую к одной из выводных клемм 41. В ней сила тока равна силе тока, проходящего по выводным клеммам. Регулировать ее не требуется, т.к. она обладает свойствами автоуправления электрической машиной. Due to the residual magnetization of the magnetic circuit and claws, or as a result of supplying a starting current pulse to the excitation winding 14, an initial magnetic flux arises in the claws, which “mates” with the armature winding 4 of the
Электрический ток в обмотке возбуждения индуцирует в ее сердечнике однонаправленный магнитный поток. При выходе из сердечника магнитный поток раздваивается. Одно направление идет по магнитопроводу 7 к периферии и к несущим когтям 9, а другое через воздушный зазор 16 в сердечнике - по неподвижному магнитопроводу 13, через зазор 43 в венец навесных когтей 11 и непосредственно в навесные когти 10. При этом на несущих когтях 9 образуется один магнитный полюс, а на навесных когтях 10 - другой полюс. An electric current in the field winding induces a unidirectional magnetic flux in its core. When leaving the core, the magnetic flux bifurcates. One direction goes along the
При вращении ротора сквозь якорную обмотку 4 протекает магнитный поток чередующейся полярности. В результате этого реализуется работа бесщеточного синхронного генератора. When the rotor rotates through the armature winding 4, a magnetic flux of alternating polarity flows. As a result of this, the operation of the brushless synchronous generator is realized.
В режиме электродвигателя машина работает в следующем порядке. На клеммы 41 (фиг. 2) подают электрический ток от внешнего источника. Часть этого тока идет на обмотку возбуждения 14, а основная часть - в якорную обмотку 4. В результате этого на когтях ротора по окружности образуется ряд магнитных полюсов, а в статоре 3 - другой ряд магнитных полюсов. Силовое взаимодействие между ними создает крутящий момент на валу 6 ротора. Он начинает вращаться, передавая крутящий момент на полезную нагрузку потребителя. При этом магнитные полюса на когтях ротора сохраняют свое значение, а магнитные полюса на статоре меняют знак в строго определенном порядке. Для этого система управления машиной имеет блок управления силовыми транзисторами. Они в зависимости от угла положения ротора переключают фазные обмотки статора 3. Угол положения ротора определяется специальными датчиками, например, датчиками Холла 44, которые реагируют на магнитный поток от закрепленного на валу специального индуктора 45 с числом магнитных полюсов, равным числу полюсов на роторе. In motor mode, the machine operates in the following order. Terminal 41 (FIG. 2) is supplied with electric current from an external source. Part of this current goes to the excitation winding 14, and the main part goes to the armature winding 4. As a result, a number of magnetic poles are formed on the rotor claws around the circumference, and another row of magnetic poles is formed in the
Заявляемая машина, в варианте электродвигателя, предусматривает использование любой известной электрической схемы управления бесконтактным (бесщеточным) электродвигателем постоянного тока, например, указанную в источнике /4, с. 56/. Для обеспечения режима обратимости электрической машины, например, для выполнения функций стартер-генератора могут применяться уже известные схемы или как вариант - схема системы управления 42 (фиг. 2), указанная на фиг. 11. The inventive machine, in the embodiment of the electric motor, provides for the use of any known electrical control circuit of a non-contact (brushless) DC motor, for example, indicated in the source / 4, p. 56 /. To ensure the reversibility of the electric machine, for example, to perform the functions of a starter-generator, already known circuits can be used or, alternatively, a control system circuit 42 (FIG. 2), indicated in FIG. eleven.
Переключение с генераторного в стартерный режимы работы в ней осуществляется с помощью кнопки SB 1, механически соединенной с замком зажигания. Так как ток сигнала "Режим" ничтожно мал (единицы миллиампер), включать стартер возможно без мощного промежуточного контактора. В двигательном режиме 3-фазная электрическая машина работает следующим образом. Сигналы с датчиков положения 44 (фиг. 2) ротора D1-D3 представляют собой три импульсные последовательности, сдвинутые друг относительно друга на угол, равный 120 электрическим градусам. Скважность этих импульсов равна 2, поэтому продолжительность открытого состояния каждого транзистора равна 180 электрическим градусам. Переключение транзисторов по сигналам датчиков положения приводит к формированию на статорной обмотке напряжений прямоугольной формы, первые гармоники которых сдвинуты друг относительно друга на угол, равный 120 электрическим градусам, и образуют симметричную трехфазную систему напряжений. Связь между электрическим и механическим углами обеспечивает индуктор 45 (фиг. 2). Switching from generator to starter modes of operation in it is carried out using the
Обратимость заявляемой бесщеточной электрической машины при работе на переменном токе обеспечивается автоматически. В этом случае работа в режиме двигателя аналогична синхронному двигателю переменного тока, а в режиме генератора - синхронному генератору переменного тока. The reversibility of the inventive brushless electric machine when operating on alternating current is provided automatically. In this case, operation in motor mode is similar to a synchronous alternating current motor, and in generator mode, to a synchronous alternating current generator.
Настоящей заявкой патентуется обратимая бесщеточная электрическая машина, выполняющая функции или электрогенератора, или электродвигателя, или сразу обе. Из патентуемых 22 пунктов все реализованы в работающих опытных образцах. This application patented a reversible brushless electric machine that performs the functions of either an electric generator, or an electric motor, or both. Of the 22 patentable items, all are implemented in working prototypes.
Испытания опытных образцов заявляемой электрической машины доказали не только работоспособность всех патентуемых существенных отличий, но и явную технико-экономическую эффективность объекта в целом. Tests of prototypes of the claimed electric machine proved not only the performance of all patented significant differences, but also the obvious technical and economic efficiency of the facility as a whole.
Объект заявки изготавливался в опытных образцах как выполняющий функции автомобильного генератора, 3-фазного генератора общепромышленного назначения, генератора сварочного тока, стартер-генератора, электродвигателя. Опытные образцы охватывают диапазон мощностей от 0,5 до 30 кВт. The object of the application was made in prototypes as a car generator, a 3-phase generator for general industrial use, a welding current generator, a starter-generator, and an electric motor. Prototypes cover a power range from 0.5 to 30 kW.
Источники информации
1. Патент США N 4 365 187, H 02 K 29/00 - аналог.Sources of information
1.
2. Патент N 2 513 036, H 02 K 19/22, 21/38 - прототип. 2.
3. Электрооборудование автомобилей и тракторов. Ю.М. Галкин. Учебник для вузов. M., Машиностроение, 1968, 280 с. 3. Electrical equipment of cars and tractors. Yu.M. Galkin. Textbook for high schools. M., Mechanical Engineering, 1968, 280 p.
4. Кенио Т., Нагамори С. Двигатели постоянного тока с постоянными магнитами: Пер. с англ. - М., Энергоатомиздат, 1989, 184 с. 4. Kenio T., Nagamori S. DC motors with permanent magnets: Per. from English - M., Energoatomizdat, 1989, 184 p.
Claims (22)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000106225/09A RU2170487C1 (en) | 2000-03-13 | 2000-03-13 | Brushless electrical machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000106225/09A RU2170487C1 (en) | 2000-03-13 | 2000-03-13 | Brushless electrical machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2170487C1 true RU2170487C1 (en) | 2001-07-10 |
Family
ID=20231794
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000106225/09A RU2170487C1 (en) | 2000-03-13 | 2000-03-13 | Brushless electrical machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2170487C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7915783B2 (en) | 2007-04-16 | 2011-03-29 | Encho Nikolov Popov | Brushless alternator with claw pole rotor |
| RU2521742C2 (en) * | 2012-03-20 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Automotive alternator |
| RU2525847C2 (en) * | 2010-03-09 | 2014-08-20 | Юрий Владимирович Карасев | Synchronous generator |
| WO2018020245A1 (en) * | 2016-07-27 | 2018-02-01 | Avid Technology Limited | An electric machine |
| RU2693569C2 (en) * | 2016-03-01 | 2019-07-03 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Alternating current generator with front auxiliary devices drive |
| EP3562008A1 (en) * | 2018-04-27 | 2019-10-30 | Exedy Corporation | Rotational electric machine |
-
2000
- 2000-03-13 RU RU2000106225/09A patent/RU2170487C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7915783B2 (en) | 2007-04-16 | 2011-03-29 | Encho Nikolov Popov | Brushless alternator with claw pole rotor |
| RU2525847C2 (en) * | 2010-03-09 | 2014-08-20 | Юрий Владимирович Карасев | Synchronous generator |
| RU2521742C2 (en) * | 2012-03-20 | 2014-07-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Воронежский государственный технический университет" | Automotive alternator |
| RU2693569C2 (en) * | 2016-03-01 | 2019-07-03 | Форд Глобал Текнолоджиз, Ллк | Alternating current generator with front auxiliary devices drive |
| WO2018020245A1 (en) * | 2016-07-27 | 2018-02-01 | Avid Technology Limited | An electric machine |
| US11440397B2 (en) | 2016-07-27 | 2022-09-13 | Avid Technology Limited | Electric machine |
| EP3562008A1 (en) * | 2018-04-27 | 2019-10-30 | Exedy Corporation | Rotational electric machine |
| CN110417156A (en) * | 2018-04-27 | 2019-11-05 | 株式会社艾科赛迪 | Rotating electric machine |
| US11050331B2 (en) | 2018-04-27 | 2021-06-29 | Exedy Corporation | Rotational electric machine |
| CN110417156B (en) * | 2018-04-27 | 2024-05-03 | 株式会社艾科赛迪 | Rotary electric machine |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200007016A1 (en) | Brushless electric motor/generator | |
| US6121705A (en) | Alternating pole AC motor/generator with two inner rotating rotors and an external static stator | |
| US5327069A (en) | Switched reluctance machine including permanent magnet stator poles | |
| US4982123A (en) | Integrated exciter generator and rotating transformer | |
| US7411363B2 (en) | Conservation of electrical energy and electro-magnetic power in motor, generator, and product components | |
| US7134180B2 (en) | Method for providing slip energy control in permanent magnet electrical machines | |
| US6097124A (en) | Hybrid permanent magnet/homopolar generator and motor | |
| US9543876B2 (en) | Three phase flux switching generator in a three stage wound field synchronous machine | |
| GB1376488A (en) | Dynamoelectric generator | |
| EP3416268B1 (en) | Three phase flux switching electric machine with orthogonally oriented magnets | |
| EP0570582B1 (en) | Multiple-stator synchronous induction motor | |
| US3522520A (en) | Alternator with rotary transformer for self-excitation | |
| RU2375807C1 (en) | Alternating current electronic motor with constant magnets | |
| US6891301B1 (en) | Simplified hybrid-secondary uncluttered machine and method | |
| RU2170487C1 (en) | Brushless electrical machine | |
| US8581465B2 (en) | Generator | |
| RU2356154C1 (en) | Electrical machine with double-pack inductor (versions) | |
| US3344338A (en) | Dynamo electric machines | |
| Brooking et al. | An integrated engine-generator set with power electronic interface for hybrid electric vehicle applications | |
| RU105540U1 (en) | MODULAR ELECTRIC MACHINE | |
| JP2003134766A (en) | Brushless electric rotating machine | |
| RU2105405C1 (en) | Like-pole inductor generator with built-in power rectifier | |
| RU2380814C1 (en) | Contactless electromagnetic machine | |
| RU2146849C1 (en) | Overhung current generator | |
| RU2775062C1 (en) | Synchronous generator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20040314 |